用高分辨电子显微像测定晶体结构的图像处理方法

作者:李方华 刊名:物理 上传者:丁毅

【摘要】本文简要地介绍了一种测定晶体结构的新方法.此法立足于一幅高分辨电子显微像及相应的电子衍射花样.它实际上是一种借助于衍射分析技术的图像处理方法,共分二步:像的解卷和提高像的分辨率.第一步是把一幅在任意离焦条件下拍摄的像转换成结构像;第二步是用相位外推技术提高像的分辨率.最终结构像的分辨率将超出电子显微镜分辨本领的限制.

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1956年,Ment。r用透射电子显微镜直接观察到酞普铜和酞青铂晶体的点阵条纹像“’.当晶体中有刃位锚时,在像上可见条纹的中断和弯曲.这种像属相位衬度像.由于试样很薄,电子波透过试样后,波振幅的变化微不足道,像的衬度主要来自波相位的变化.随着电子显微镑分辨本领的不断提高,70年代初,傲息澄男等和植田夏等分别观察到银钛氧化物晶体中原子团和氯代酞脊铜有机晶体中分子轮廓的相位衬度像’‘”,这是最早的高分辨电子显微像.因为像直接反映了晶体结构,所以又称结构像.此后,以相仕衬度像为实验基础,以动力学电子衍射的物理光学模型为理论基础“,在透射电子显微学中遂渐形成了一个新的分支学科高分辨电子显微学.高分辨电子显微学的发展为测定晶体结构提供了一种新的手段.它尤其适用于测定缺陷晶体的局域结构,以及测定X射线衍射方法难以解决的微小晶体结构.但是,高分辨电子显撇像并不总直接反映晶体结构,原因是像的衬度与成像系统各种电子光学参数(如物镜球差、色差、离焦量、电子束的相干性等)密切相关;像的衬度也随晶体的厚度而异.只有当晶体很薄,如厚度在!onm以内,且物镜处于最佳欠焦状态时,像才能直接反映晶体的结构.此时的像称最佳欠焦像,或称结构像.在一般情形下,像上所反映的是试样结构受电子光学系统调制后的图像,而非结构本身.目前用高分辨电子显微镜测定晶体结构时,大都使用尝试法,即先选用试样的薄区拍摄一系列不同离焦条件的像,从中挑选出最佳欠焦者,再根据最佳欠焦像的衬度建立一个或多个晶体结构模型,针对各个模型计算一系列不同厚度和不同离焦量的理论像,并与实验像相比较.当某系列理论像与实验像相一致时,即认为该系列理论像所对应的结构模型是正确的.这种方法显然有同限性.如果待测结构事前完全未知,则往往难以从一系列实验像中确定出哪一张是反映结构的1)本文介绍的研究工作成果获中国物理学自第二届叶企孙物埋奖编者注.最佳欠焦像;如果试样不耐辐照坝IJ难拍摄到一系列不同离焦条件的像.为此,很有必要发展新的方法.本文所报道的图像处理方法便是在这样一种揩导思想下发展起来的叮此外,即使能从一系列实验像中挑选出结构像,像上所反映的结构往往比用衍射方法测出的结构粗糙.这是因为像的分辨率受电子显微镜的分辨本领所限.用透射电子显微镜也可以拍摄试佯的电子衍射花样.电子衍射花样所包含的结构信息并不受显微镜分辨本领的限制.不过,电子衍射花样只记录下衍射波振幅,失去了波相位.像却同时含有衍射波振幅和相位的信息.如何把二者结合起来提高像的分辨率,则是本文工作的第二个指导思想“.一、像的解卷一幅在任意离焦条件下拍摄的高分辨电子显微像,是试佯的投影电势分布函数与物镜衬度传递函数傅里叶变涣的卷积.电势分布函数是代表结构的函数.于是,对像作解卷处理相当于把像转换成电势投影图,也就是转换成结构像.解卷需要知道物镜的树度传递函数,其中包合了成像的各种电子光学参数.对于一台固定的电子显微镜,其物镜球差、色差、光源相干注等参数大体上可知,只有离焦量难以测准,而它对像衬的影响又很大.这样,对像作解卷处理的工作便归结为测定离焦量了.如果任意地设置一个离焦值(称尝试离焦值),用它进行像解卷,则可得到一套结构因子和一幅电势投影图,分别称尝试结构因子套和尝试电势投影图.前者是后者的傅里叶变换.设置一系列尝试离焦值后,得到一系列尝试结构因子套和一系列尝试电势投影图.只要有办法判断哪一套结构因子或哪一幅电势投影图是正确的,便完成了像解卷的工作,也得到了正确的禽焦值.实践证明,在倒易空间或正空间中都可以找到所需的判据.在倒易空间的判据是X射线单晶体结构分析直接法

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